電流型雙輸入不間斷開關電源的製作方法

2023-09-12 01:56:50 1

專利名稱：電流型雙輸入不間斷開關電源的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及電壓變換技術，特別是指一種電流型雙輸入不間斷開關電源。
背景技術：
隨著信息產業迅速發展，幾乎所有的IT系統都會裝備傳統的UPS,但採用UPS 電源，存在能量多次重複轉換，成本高等問題。而且，從統計學分析，在供電網絡 和敏感設備之間插入一個可靠性低於100%的UPS，對總系統的可靠性不是提高， 而是降低。這是極為簡單明了的，分析如下
設 一設備對供電敏感，它自身的電源的可靠性為99%,供電網絡提供給這 臺設備的供電可靠性為99%，則這臺設備最終負載(如主板、硬碟等)從供電網絡 取得電能工作的可靠性為99% x 99% 98% 。
又設，如果為了保護此設備避免2%的供電失效的可能性，而加入一臺UPS， 則這臺設備的最終負栽到電網插座之間的連結有以下斷電的概率，試分析如下
電網斷電，UPS正常，負載受到保護，工作正常。
電網正常，UPS故障，負載因此而斷電，工作中斷。
電網斷電，UPS不能夠保護，負載因此而斷電，工作中斷。
任何電子設備的可靠性不可能為1, UPS也不例外，假設UPS的可靠性是99%， 則從電網經過UPS到這臺設備最終負載，總的可靠性應該是(98 % x 99 % ) 97 % 。
於是，人們開始用USPS (不間斷開關電源)來代替UPS,就是說在敏感設備本 身的電源加上備份第二能源，避免設備外部一切可能的供電單點故障。其系統可靠 性分析簡介如下
如圖4所示，AC和DC兩個能源是並列輸入， 一旦AC斷電，DC仍然是在工作 著的，同樣提供能量經過電磁轉換給輸出。設這個USPS的AC部分的可靠性為99%， 並聯加入的DC部分的可靠性為99%，則總的可靠性為1- (1 -99%) x (1 -99%) 99. 99% 。 發明內容
本實用新型的目的是提供一種可靠性高、電路簡單、成本低、體積小的電流型 雙輸入不間斷開關電源。
本實用新型電流型雙輸入不間斷開關電源，包括主功率變壓器、將輸入的高 壓能經所述主功率變壓器耦合至輸出迴路的高壓開關迴路、在輸入AC低於設定值 或中斷時經所述主功率變壓器向輸出迴路提供能量的低壓開關迴路、 一個脈寬調製 器和一個中心控制單元，所述中心控制單元通過採樣所述高壓開關迴路、低壓開關 迴路的電流以及輸出迴路的電壓，分析判斷後，控制脈寬調製器的輸出，進而控制 高壓開關迴路和低壓開關迴路工作，其中，所述主功率變壓器包括
第一繞組，它連接在所述高壓開關迴路中； 第二繞組，它連接在所述輸出迴路中；
第三繞組，它連接在所述低壓開關迴路中，其首端與第二繞組的末端連接並接 地；以及，
一個用於給脈寬調製器和中心控制單元提供電源的第四繞組； 該主功率變壓器第三繞組的匝數A^通過下式計算確定
式中A^為接入高壓開關迴路的第一繞組的匝數，&/7,為給定的低壓開關迴路電池放 電起始點對應的最低交流輸入電壓有效值，為低壓開關迴路中的第三繞組兩端 電壓的最大值。
本電源工作時，在高壓側工作的中心控制單元對次級輸出回^^的電壓採樣、同 時對高壓開關迴路和低壓開關迴路的電流信號進行採樣，經過分析判斷，控制脈寬 調製器(PWM)的輸出，進而由所述PWM控制高壓開關迴路中的高壓開關和低壓開 關迴路中的低壓開關同時工作，使得當AC輸入正常時，高壓開關迴路將高壓電 能經主功率變壓器的第一繞組耦合至第二繞組輸出；當AC輸入低於設定值時，所 述P麗控制高壓開關迴路和低壓開關迴路同時提供能量，低壓開關迴路補充的能量 經過主功率變壓器的第三繞組耦合至第二繞組輸出；當AC輸入完全中斷時，低壓 開關迴路在所述PWM的控制下提供全部所需能量，能量通過主功率變壓器的第三繞 組耦合至第二繞組輸出。另外，在有AC輸入時，由高壓開關迴路將一部分電能耦
合到主功率變壓器的第四繞組，給中心控制單元供電；當AC輸入中斷時，由低壓 開關迴路將一部分電能耦合到主功率變壓器的第四繞組，給中心控制單元供電。 還可包括一個用於檢測輸入交流電壓的狀況的AC檢測單元。 還可包括一個可控充電單元，該充電單元輸入端接所述輸出迴路，輸出端接所 述低壓開關迴路的電池組，該充電單元的控制端與所述A C檢測單元的輸出端連接， 控制可控充電單元只有在AC輸入正常時才向電池組充電。
還可包括一個可控電池監控單元，該電池監控單元包括電壓採樣電路和比較器， 電壓採樣電路對所述低壓開關迴路的電池組的電壓採樣後輸入比較器，與參考電壓 比較來判斷電池組的放電情況，由此比較器輸出電池狀況的信號。
本電流型雙輸入不間斷開關電源採用初級側電流控制模式，它通過對主功率變 壓器電磁關係的設計，配合外圍電路，實現了兩路能源輸入自動補償的功能，達到 輸出在線不間斷，同時，得到了較高的轉換效率。兩個能源的交替過程無需人為的 邏輯控制，整個轉換過程圓滑而無中斷地實現，降低了功率'電子器件的應力，避免 產生瞬態突變(di/dt)造成電磁幹擾。
它是一種電流模式反激式USPS,不但體積小，電路簡單，成本低，'而且可靠
性高。

圖1為本實施例電流模式反激式不間斷開關電源原理方框圖； 圖2為其高壓側的具體電路圖； 圖3為其低壓側的電路圖； 圖4為USPS系統可靠性分析圖。
具體實施方式

以下結合附圖對本實用新型做詳細說明。
參照圖1,本電流型雙輸入不間斷開關電源，包括主功率變壓器200、將輸 入的高壓能經所述主功率變壓器耦合至輸出迴路600的高壓開關迴路100、在輸入
路400、 一個脈寬調製器和一個中心控制單元301,(本實施例中，脈寬調製器包含 在中心控制單元301內)，所述中心控制單元301通過採樣所述高壓開關迴路100、
低壓開關迴路400的電流以及輸出迴路600的電壓，分析判斷後，控制脈寬調製器
的輸出，進而控制高壓開關迴路100和低壓開關迴路400工作，所述主功率變壓器 200包括
第一繞組201,它連接在所述高壓開關迴路100中； 第二繞組202，它連接在所述輸出迴路600中；
第三繞組203，它連接在所述低壓開關迴路400中，第三繞組203和第二繞組 202反相且共地，即第三繞組203首端與第二繞組202的末端連接並接低壓地； 以及，
一個用於給脈寬調製器和中心控制單元提供電源的第四繞組204; 該主功率變壓器第三繞組203的匪數 ,通過下式計算確定
式中A^為接入高壓開關迴路的第一繞組201的匝數，^V,為給定的低壓開關迴路電 池放電起始點對應的最低交流輸入電壓有效值，PV為低壓開關迴路中的第三繞組 203兩端電壓的最大值。第三繞組203的匝數&值的絕對值對應於反激電路用負值， 與輸出繞組反相。對應於正激電路，取正值，與輸出繞組同相，且接入輸出繞組。
高壓開關迴路100包括高壓開關101、主功率變壓器第一繞組201和第一電流 採樣器302,高壓直流電的正輸出端依次接高壓繞組201 (即主功率變壓器第一繞 組201 )、高壓開關101和第一電流採樣器302到高壓直流電的負輸出端形成高壓開 關迴路。所述高壓直流電壓由AC輸入經輸入保護、高頻濾波、整流濾波後形成。
低壓開關迴路40Q包括電池組401、低壓開關404、第二電流採樣器304和主功 率變壓器第三繞組203,電池組401的正極依次經過隔離二極體402、第二電流採 樣器3(M、低壓開關404接至主功率變壓器第三繞組203的末端，主功率變壓器第 三繞組203的首端與電池組401的負極連接，從而形成低壓開關迴路。
中心控制單元301、第一電流採樣器302、用於驅動低壓開關的驅動變壓器303 和第二電流採樣器304構成了控制電路300,控制電路在啟動時由高壓直流電經電 阻R52提供工作電壓，啟動後由主功率變壓器第一繞組204提供工作電壓。
輸出迴路600由主功率變壓器第二繞組202經過一個整流濾波網絡，再接到輸
出的負載，由負載接到低壓地而組成。
本電流型雙輸入不間斷開關電源還包括AC檢測單元500、可控電池監控單元
406、可控充電單元407、告警單元和輸出電壓採樣單元605。
AC檢測單元500含AC電壓採樣網絡501和設於AC電壓採樣網絡501輸出端的 隔離光耦502，該;險測單元500用於檢測接入所述高壓開關迴路100的交流電壓的 狀況。A(M企測單元500的輸出將對可控電池監控單元406、可控充電單元407、告 警單元給予控制，使得當輸入AC正常、電池組401電量不滿時，充電單元給電 池組正常充電； 一旦輸入AC斷電立即停止充電迴路的充電輸出，同時給出交流斷 電的信號啟動告警單元輸出告警信號和啟動電池監控單元406。
可控電池監控單元406對電池組401的狀況進行全時間地採樣，與預設值進行 比較，以便提供電池低告警信息，和經過接口和軟體實現對電源的監控和保護。
可控充電單元407輸入端接所述輸出迴路600,輸出端接所述低壓開關迴路400 的電池組401,該充電單元407的控制端與所述AC^企測單元500的輸出端連接，使 該可控充電單元只有在AC輸入正常時才向電池組401充電。
整個系統工作過程如下
當高壓直流電壓建立，經過電阻R52給中心控制單元301提供工作電壓，PWM 工作，驅動高壓開關101和低壓開關404同步啟動工作，主功率變壓器200的第一 繞組201產生高頻磁場，耦合到第二繞組202再經過整流濾波輸出給負載一個穩定 的低壓，同時在第四繞組204產生一個輔助低壓，給中心控制單元301供電。
輸出電壓採樣單元605將輸出電壓反饋信號輸入中心控制單元301,同時，第 一電流採樣器302和第二電流採樣器304分別對高壓開關迴路和低壓開關迴路的工 作電流進行逐個波形峰值採樣，並輸入中心控制單元301，進行分析比較後經過中 心控制單元301內部的PWM對高壓開關101和低壓開關404進行調製，以確保輸出 電壓的穩定。
一旦高壓直流掉電，與高壓開關101同步工作著的低壓開關404立即有電流通 過主功率變壓器第三繞組203維持了磁場能量並繼續經過第二繞組202給負載提供 了穩定的電壓，同時也經過第四繞組204給中心控制單元301提供工作能量，而且， 也有電流採樣信號進入中心控制單元301對PWM進行逐個波形控制和保護，同時，中心控制單元301內的PWM仍然受到次級輸出電壓採樣的反饋信號的控制進行脈寬 調製，以確保輸出電壓的穩定。
圖2和圖3分別為本電流型雙輸入不間斷開關電源高壓側和低壓側的電路圖。
其中，第一電流採樣器302採用電阻器R53，第二電流採樣器304採用互感器Sl， 高壓開關101採用CMOS功率開關管Ql，低壓開關404採用CMOS功率開關管Q2, PWM包含在中心控制單元301內，PWM通過電阻R51驅動高壓開關工作、通過驅動 變壓器T2驅動低壓開關工作。
參照圖2，主能源(即AC輸入)經過保護EMI濾波網絡接到一整流橋BR1 ，整 流橋BR1輸出的高壓直流總線正端連接到主功率變壓器200的第一繞組201，再連 接到CMOS功率開關管Ql漏極，開關管Ql的源極通過脈沖電流採樣電阻R53接到 高壓總線的負端，組成了高壓開關迴路100。 一個足夠容量的濾波電容C6從整流 橋BR1輸出正端跨接到負端。主功率變壓器的第四繞組204輸出經過整流二極體D6 和濾波電容C7接入中心控制單元301的供電輸入端，在啟動後為中心控制單元301 供電，而在啟動時由高壓總線經過電阻R52給中心控制單元301供電。中心控制單 元301輸出的PWM驅動信號經過電阻R51接到開關管Ql的柵極。驅動變壓器T2的 初級接入本中心控制單元301的PWM輸出端和高壓開關迴路地端，PWM驅動信號經 過本驅動變壓器T2耦合到開關管Q2柵極。採樣電流互感器SI的次級經過二極體 D7接到中心控制單元301的逐個波形採樣輸入端。輸出電壓採樣單元605通過光耦 305將電壓採樣信號接到中心控制單元301的電壓採樣輸入端。AC檢測單元500連 接到AC輸入端，其輸出經過光耦5 02隔離輸出到電池監控單元406和電池充電單 元407。
工作過程如下
AC輸入經過輸入迴路建立高壓直流總線電壓，繼而通過電阻R52給中心控制單 元301供電，啟動，中心控制單元301輸出P麗脈沖驅動開關管Ql工作，主功率 變壓器200工作，在次級感應出低壓經過整流濾波輸出給負載。中心控制單元301 同時接受電流採樣信號和來自採樣光耦305的電壓反饋信號，進行連續的比較和調 整，再輸出PWM信號控制開關管Ql，以達到穩定輸出電壓的目的。同時，AC檢測 單元500檢測到AC輸入的狀況，輸出一個ACOK信號經過光耦502輸出送到電池監 控單元406和電池充電單元407,以實現下述邏輯控制
1、 當AC正常時，無論電池組401是否接上或者電池組401電量是否低，都不 關機，由AC供電工作。
2、 當AC異常時，電池組401工作正常期間，提供AC斷電的告警信號；當AC 異常，電池組401放電終了時，電池監控單元406輸出關機信號，強制關機。
3、 當AC正常時，打開充電單元407對電池組401充電；當AC異常時，關斷 充電單元407,停止充電。
圖3為本實施例低壓側的電路圖。其中
低壓開關迴路400依次由電池組401、隔離二極體402、電流採樣互感器304連 接後，再接到低壓開關404,再接到主功率變壓器的第三繞組203,最後接到低壓 的公共地組成。只要本電源在AC正常啟動工作，本迴路的低壓開關404也和高壓 開關101同步工作於同一 PWM的狀況，只是它沒有電流流過，第二繞組202輸出的 能量全部由AC轉換而成， 一旦AC低於"黃金切入點"的電壓，第二能源(即電池 組401 )才提供一部分能量，AC輸入中斷則由第二能源(即電池組401 )提供全部 能量，以保持輸出的穩定。
低壓輸出迴路600由主功率變壓器的第二繞阻202,經過整流二極體和濾波電 容組成的整流濾波網絡6 01,再接到輸出的負載6 0 2,由負載接到低壓共地而組成。 正常開機後，只要AC或者低壓第二能源(即電池組401)任意一個正常，本輸出 迴路60Q就會維持穩定的電壓輸出給負載。
可控電池監控單元406包括電壓採樣電路和兩個比較器IC1A、 IC1B,電壓採樣 電路由三個電阻R6、 R7和R8串聯組成，電壓採樣電3各對所述低壓開關迴路400的 電池組401的電壓採樣後輸入兩個比較器IC1A、 IC1B,與參考電壓比較來判斷電池 組401的放電情況，該電池監控單元406的比較器的電源端通過一個電子開關Q4 接電源，電子開關Q4的控制端與所述AC檢測單元500的輸出端連接，控制該電池 監控單元406隻有在電池組401放電的時間才會輸出電池狀況信號，該單元406在 輸出電池低告警信息時，同時輸出強制關機信號給中心控制單元301。開機後，AC 檢測單元輸出的ACOK信號控制電子開關Q4去開關兩個比較器IC1A、 IC1B的供電， 決定比較器是否工作，以使得只要AC正常，無論電池組401是否接入，或者電
池組401電量是否較低，都不可以輸出電池低或者關機的信號；只有AC異常，有 電池放電工作時，才會令本電路工作，對電池組放電進行檢測，當電池組電量低到 某預設的電平時，會輸出電池低信號，控制告警單元408發出告警； 一旦電池低到 放電終了的臨界電平時，就會關斷電源。
可控充電單元407由輸出迴路600連接到本單元的輸入端，進入一個內部調控 電路LM317,輸出端接到電池組401正極，同時，與AC檢測單元500的輸出端連接， 以受ACOK信號的控制。當電源在AC正常開機後，即可從輸出迴路600取得電壓經 過充電控制電路對電池組401充電，充電模式依據不同電池的特性而選擇，直到電 池充滿，並維持浮充狀態。 一旦AC斷電，ACOK信號自動關斷本充電電路的輸出， 以避免迴流。
告警單元4 08包括555晶片和喇叭SP,它受可控電池監控單元406和AC檢測 單元500控制，當接入高壓開關迴路的AC斷電時或電池組401電壓低於預設值時 輸出告警聲。
輸出電壓採樣單元605包括基準電路TL431和光耦305，同時，該輸出電壓採 樣單元605輸入端還與電池監控單元406 —輸出端連接，以實現在電池放電終了時 關斷本電源，保護電池不過放電而損壞。
權利要求1、一種電流型雙輸入不間斷開關電源，包括主功率變壓器(200)、將輸入的高壓能經所述主功率變壓器耦合至輸出迴路(600)的高壓開關迴路(100)、在輸入AC低於設定值或中斷時經所述主功率變壓器向輸出迴路(600)提供能量的低壓開關迴路(400)、一個脈寬調製器和一個中心控制單元(301)，所述中心控制單元通過採樣所述高壓開關迴路、低壓開關迴路的電流以及輸出迴路的電壓，分析判斷後，控制脈寬調製器的輸出，進而控制高壓開關迴路和低壓開關迴路工作，其特徵在於所述主功率變壓器(200)包括第一繞組(201)，它連接在所述高壓開關迴路(100)中；第二繞組(202)，它連接在所述輸出迴路(600)中；第三繞組(203)，它連接在所述低壓開關迴路(400)中，其首端與第二繞組(202)的末端連接並接地；以及，一個用於給脈寬調製器和中心控制單元提供電源的第四繞組(204)；該主功率變壓器第三繞組的匝數NL通過下式計算確定<![CDATA[ N L= N H| VLC 2 V HT | ]]>式中NH為接入高壓開關迴路的第一繞組的匝數，VHT為給定的低壓開關迴路電池放電起始點對應的最低交流輸入電壓有效值，VLC為低壓開關迴路中的第三繞組兩端電壓的最大值。
2 、根據權利要求1所述的不間斷開關電源，其特徵在於還包括一個AC檢 測單元(500 )，該AC檢測單元含AC電壓釆樣網絡(501 )和設於AC電壓採樣網 絡輸出端的隔離光耦(502 ),該檢測單元用於檢測接入所述高壓開關迴路(100) 的交流電壓的狀況。
3、根據權利要求2所述的不間斷開關電源，其特徵在於還包括一可控充電 單元(407 ),該充電單元輸入端接所迷輸出迴路(600 ),輸出端接所述低壓開關 迴路(400 )的電池組，該充電單元的控制端與所述AC^企測單元(500 )的輸出端 連接，控制該充電單元只有在AC輸入正常時才向電池組充電。
4、 根據權利要求2所述的不間斷開關電源，其特徵在於還包括一個可控電 池監控單元(406 )，該電池監控單元包括電壓採樣電路和比較器，電壓採樣電路 對所述低壓開關迴路(400 )的電池組的電壓採樣後輸入比較器，與參考電壓比較 來判斷電池組的放電情況，由此比較器輸出電池狀況信號。
5、 根據權利要求1所述的不間斷開關電源，其特徵在於所述高壓開關迴路(100) 包括高壓開關(101 )、主功率變壓器第一繞組(201 )和第一電流採樣器 (302 ),高壓直流電的正輸出端依次接主功率變壓器第一繞組(201 )、高壓開關(101) 和第一電流採樣器(302 )到高壓直流電的負輸出端； 所述低壓開關迴路(400 )包括電池組(401)、低壓開關(404 )、第二電流採樣器(304 )和主功率變壓器第三繞組(203 )，電池組(401)的正極依次經過隔 離二極體(402 )、第二電流釆樣器(304 )、低壓開關(404 )接至主功率變壓器第 三繞組(203 )的末端，主功率變壓器第三繞組(203 )的首端與電池組(401)的 負極連接。
6、 根據權利要求5所述的不間斷開關電源，其特徵在於所述第一電流採樣 器(302 )為電阻器，第二電流採樣器(304 )為互感器。
專利摘要一種電流型雙輸入不間斷開關電源，包括主功率變壓器、高壓開關迴路、低壓開關迴路、一個脈寬調製器和一個中心控制單元，所述中心控制單元通過採樣所述高壓開關迴路、低壓開關迴路的電流以及輸出迴路的電壓，分析判斷後，控制脈寬調製器的輸出，進而控制高壓開關迴路和低壓開關迴路工作，所述主功率變壓器包括第一繞組，它連接在所述高壓開關迴路中；第二繞組，它連接在所述輸出迴路中；第三繞組，它連接在所述低壓開關迴路中，其首端與第二繞組的末端連接並接地；一個用於給脈寬調製器和中心控制單元提供電源的第四繞組。本電流型雙輸入不間斷開關電源不但體積小，電路簡單，成本低，而且可靠性高。
文檔編號H02J7/04GK201191769SQ20082009384
公開日2009年2月4日 申請日期2008年4月30日 優先權日2008年4月30日
發明者冉茂鑫 申請人:冉茂鑫